CN108604940A

CN108604940A - 光电子交换机

Info

Publication number: CN108604940A
Application number: CN201680077887.1A
Authority: CN
Inventors: A.里克曼; N.法林顿; A.S.纳格拉
Original assignee: Rockley Photonics Ltd
Current assignee: Rockley Photonics Ltd
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2018-09-28
Anticipated expiration: 2036-11-04
Also published as: CN108604940B; WO2017077093A2; CN108476080B; WO2017077093A3; CN108476080A; WO2017077094A1

Abstract

本发明提供一种用于光电子交换机中的交换机模块，所述交换机模块具有：客户端部分，所述客户端部分用于连接到输入装置或输出装置；第一组构部分(fabric portion)和第二组构部分，其各自用于处理信号并且与其它交换机模块通信，所述第一组构部分具有传输侧和接收侧，所述传输侧具有：传输侧输入端，所述传输侧输入端用于接收携带信息的第一电子信号，所述信息包括关于所述第一电子信号的目的地交换机模块的信息，所述第一电子信号是经由所述客户端部分从所述第二组构部分的输出端或输入装置接收；传输侧转换构件，所述传输侧转换构件用于将所述第一电子信号转换成含有相同信息的第一多个光信号；传输侧复用器，所述传输侧复用器用于将所述第一多个光信号转换成复用组构输出信号以供传输到主动式交换机，并且所述接收侧具有：接收侧解复用器，所述接收侧解复用器用于接收来自主动式交换机的复用组构输入信号并且将所述复用组构输入信号分离成第二多个光信号；接收侧转换构件，所述接收侧转换构件用于将所述第二多个光信号转换成第二电子信号；以及接收侧输出端，所述接收侧输出端用于经由所述客户端部分将所述第二电子信号发送到所述第二组构部分的传输侧输入端或输出装置。

Description

光电子交换机

相关申请的交叉参考

本申请要求2015年11月5日提交的标题为“Optical Switch Architectures”的美国临时申请号62/251,572的优先权和权益，所述临时申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

根据本发明的各实施方案的一个或多个方面涉及可用于光电子交换机中的交换机模块，并且还涉及并入有所述交换机模块的光电子交换机。

发明背景

数据通信量的当前及持续增加和数据中心对交换速度和减少的能量消耗的要求已经导致大量的新近创新。特别地，已经认识到，光交换(optical switching)提供了许多所要性质，但是光学装置需要由包括传统电子数据服务器的电子装置来控制并且与所述电子装置配套使用。

光学装置本身未必使交换机的大小或复杂度减小。为了改进装配和应用光交换单元时的灵活性，期望改进光交换机的可伸缩性(scalability)。一种改进方法涉及交换机网络内的部件的拓扑。期望产生高度可伸缩的光交换单元。因此，仍需要最优地受益于光学器件的速度和以适合巨大可伸缩性的架构装配的CMOS电子器件的灵活性的包交换机。

为了最清楚地描述网络拓扑，例如计算机网络或光交换网络，如在本发明的实施方案中，可使用以下术语和记号：

图G是顶点V的集合和边E的集合，边连接成对的顶点。图可表示为G＝(V,E)。因此，网络可建模成图，其中节点(即个别交换元件)由顶点来表示，并且成对的节点之间的链接是图边。

网络的物理拓扑是在节点和链接的真正3D空间中的位置。网络的逻辑拓扑在数学上被表示为网络的图G＝(V,E)。

单个交换元件的基数R是所述交换元件上的端口的数目。交换机端口可以是客户端端口(连接到例如主机或服务器的外部客户端)或组构端口(连接到其它交换元件)，或未连接的。每个交换单元的客户端端口的数目＝C，并且每个交换元件的组构接口的数目＝F。

路径是将源节点连接到目的地节点的链接的序列，并且路径的长度是序列中的链接的数目。两个节点之间的最小路径是长度最短的路径，并且网络的直径是任何两个节点之间的最长最小路径。交换机中的交换元件可布置成N个维度(在本文中也被称为层(tier))。

已知的命名网络拓扑是折叠式克劳斯网络。这是目前用于数据中心网络和多芯片交换机中的普通拓扑。所述拓扑也被称作k元n树(k-ary n-tree)。可仅用R和N来描述网络：

C_总＝客户端端口的总数，即可互连的

直径，D＝2(N-1)

下面的表1示出了N的值，针对参数的各种不同值的客户端端口的数目，如上所述，所述值指示使用具有给定参数的这种网络可连接的外部客户端的数目。

表1：针对具有R和N的变化值的折叠式克劳斯网络的N的值。

图15A到C示出了具有N和R的不同值的折叠式克劳斯网络布置的示例，以及其C_总、P和D的对应值。明显地，当用于实际交换网络中时，所使用的交换元件的数目比这些图中所示的数目要大得多。在这些示例中，客户端端口在每一情况下用交换元件的底部行上的未连接链接来表示。在本文中，术语“叶”可用于连接到客户端和其它交换元件两者的交换元件，并且“骨干”可用于仅连接到其它叶的那些交换机。在本申请中，术语“骨干”和“主动式交换机”也可以互换地使用。

发明概要

最一般地，本发明的实施方案提供一种光电子交换机，所述光电子交换机具有使用产生极大的可伸缩性改进的改进后(物理)网络拓扑组织的多个交换元件。为了实现使用改进后物理拓扑的光电子交换机，组成所述光电子交换机的交换元件必须具有特定特征，和特定连接能力。特别地，充当叶的交换元件，在本文中被称为“交换机模块”，为了最优地执行会需要特定的内部部件。因此，本发明的实施方案的第一方面提供一种用于光电子交换机中的交换机模块，所述交换机模块具有：

客户端部分，所述客户端部分用于连接到输入装置或输出装置；

第一组构部分和第二组构部分，其各自用于处理信号并且与其它交换机模块通信，所述第一组构部分具有传输侧和接收侧，

所述传输侧具有：

传输侧输入端，所述传输侧输入端用于接收携带信息的第一电子信号，所述信息包括关于所述第一电子信号的目的地交换机模块的信息，所述第一电子信号是经由所述客户端部分从以下各项接收：

所述第二组构部分的输出端，或

输入装置；

传输侧转换构件，所述传输侧转换构件用于将所述第一电子信号转换成含有相同信息的第一多个光信号；

传输侧复用器，所述传输侧复用器用于将所述第一多个光信号转换成复用组构输出信号以供传输到主动式交换机，并且

所述接收侧具有：

接收侧解复用器，所述接收侧解复用器用于接收来自主动式交换机的复用组构输入信号并且将所述复用组构输入信号分离成第二多个光信号；

接收侧转换构件，所述接收侧转换构件用于将所述第二多个光信号转换成第二电子信号，以及

接收侧输出端，所述接收侧输出端用于经由所述客户端部分将所述第二电子信号发送到：

所述第二组构部分的传输侧输入端，或

输出装置。

为了避免混淆，应注意，在下文中，术语“组构部分”用于描述组构端口本身，即交换机模块与网络组构之间的接口(交换机模块之间的链接)，和交换机模块内的所有相关联部件。类似地，“客户端部分”用于描述客户端端口本身，即与外部客户端的接口，和交换机模块内的所有相关联部件。输入装置和/或输出装置可指例如服务器或主机的外部客户端。

优选地，所述第二组构部分被配置成执行与所述第一组构部分相同的光学和电子处理，使得例如当所述第二电子信号从所述第一组构部分的所述输出端发送到所述第二组构部分的所述输入端时，相同处理可在所述电子信号上发生，以使得所述电子信号传输到别处。这样，所述交换机模块可充当中间交换机模块(或骨干)，其中接收到的数据不是直接转发到输出装置，而是转发到另一交换机模块，以供后续进一步传输到另一交换机模块，或传输到输出装置。因此，所述第二组构部分可包括：

传输侧输入端，所述传输侧输入端用于接收携带信息的第二电子信号，所述信息包括关于所述电子信号的目的地交换机模块的信息，所述第二电子信号是经由所述客户端部分从以下各项接收：

所述第一组构部分的输出端，或

输入装置；

传输侧转换构件，所述传输侧转换构件用于将所述第二电子信号转换成含有相同信息的第三多个光信号；

传输侧复用器，所述传输侧复用器用于将所述第三多个光信号转换成复用组构输出信号以供传输到主动式交换机；

接收侧解复用器，所述接收侧解复用器用于接收来自主动式交换机的复用组构输入信号并且将所述复用组构输入信号分离成第四多个光信号；

接收侧转换构件，所述接收侧转换构件用于将所述第四多个光信号转换成第三电子信号，以及

接收侧输出端，所述接收侧输出端用于经由所述客户端部分将所述第三电子信号发送到：

所述第一组构部分的传输侧输入端，或

输出装置。

所述交换机模块也可包括一个以上的客户端部分，并且优选地包括两个客户端部分。在各交换机模块上具有增加数目的客户端部分使在交换机模块用于光电子交换机中时能够连接到各交换机模块的外部装置的数目增加。

交换机模块可包括多于第一和第二组构部分，这取决于其中将使用交换机模块的光电子交换机的维数(dimensionality)。因而，所述第二组构部分的所述输出端可替代地配置成发送信号到第三组构部分，而不是所述第一组构部分。

根据本发明的第一方面的交换机模块提供建构可伸缩的多维(即N>1，使用本申请的发明背景章节中所引入的术语)光电子交换机所需的功能性，所述光电子交换机能够将在一个交换机模块的客户端部分处接收到的光信号传送到另一交换机模块的客户端部分。与所述传输侧/接收侧转换构件相关联的转换允许大部分的数据传送在光域中而不是电子域中进行。因此，有可能用较低功率以高数据速率长距离地传输数据，并且功率损耗可比在电子域中低。另外，使用光域使得能够使用波分复用。在主动式交换期间使用光域的另外重要优点是位速率独立性，其中交换机平面数据以包速率而不是位速率操作。

如本章节在开始时所提及，本发明的(第二方面的)光电子交换机使用新拓扑，所述新拓扑提供相对于前述折叠克劳斯技术和已知用于光交换网络中的其它拓扑的几个改进方面。一般来说，本发明的第二方面提供一种光电子交换机，所述光电子交换机包括以改进后物理拓扑布置的交换机模块和主动式交换机的阵列。所述交换机模块是根据本发明的第一方面的那些模块，所述交换机模块包括客户端端口(“客户端部分”)和组构端口(“组构部分”)两者并且因此均连接到光学组构和任何外部客户端。

因此，相应地，根据本发明的第一方面的交换机模块可互连到根据本发明的第二方面的光电子交换机，其中用于将光信号从输入装置传送到输出装置的N维光电子交换机包括多个互连的根据本发明的第一方面的交换机模块，其中：

所述交换机模块被布置成N维阵列，第i维度具有大小R_i(i＝1,2...N)，各交换机模块具有给出其相对于所述N个维度中的每一个的位置的相关联坐标集；

各交换机模块是N个子阵列S_i的成员，各子阵列S_i包括仅关于在所述第i维度中的位置的坐标不相同的R_i个交换机模块，并且所述N个子阵列中的每一个与不同维度相关联；

所述交换机模块中的每一个被配置成生成复用组构输出信号，

各子阵列S_i还包括具有R_i个输入端和R_i个输出端的主动式交换机，

各主动式交换机的各输入端被配置成接收来自所述子阵列中的所述R_i个交换机模块中的每一个的复用组构输出信号，

所述主动式交换机被配置成基于在所述交换机模块的所述传输侧输入端处接收到的所述第一电子信号中所含的所述目的地信息，将复用组构输出信号从其R_i个输入端中的任一个引导到其R_i个输出端中的任一个，所述主动式交换机从所述交换机模块接收所述复用组构输出信号。

从所述R_i个输出端中的每一个发送的信号可形成可由所述子阵列内的所述R_i个交换机模块中的另一个接收的所述复用组构输入信号。

这里，通过考虑例如组织成4x 5x 6阵列的120个交换机模块，最容易理解第i维度的“大小”R_i。因而，R₁＝4、R₂＝5、R₃＝6。换句话说，第i维度的大小也可以被视为阵列在与所述维度相关联的方向上的长度。必须强调的是，这并不意味着所述模块是物理地布置成例如3D阵列，这仅表示交换机模块之间的连接，如下文将更详细地描述。此将从交换机模块可例如布置成在真实空间中明显不能实现的5D阵列显而易见。在如上所述的布置中，应了解，第i维度的大小R_i与相关联于子阵列S_i的主动式交换机的输入端/输出端的数目相同，其中所述维度中的坐标改变。这样，能够保证主动式交换机连接到所述子阵列中的所有交换机模块。

在所有交换机模块的组构部分之间形成并且包括主动式交换机的总互连网格可被称为“光学组构”或“交换机组构”并且包括连接各种部件的光链接。优选地，光链接是光纤。而且，光链接优选地为双向的，这可以通过将两个或更多个光链接捆绑在单个缆线内实现。替代地，光链接可呈嵌入例如PCB中的光学聚合物波导或形成于衬底上或中的硅波导的形式。类似地，“主动式交换机”指的是能够主动地控制信号在其中经过的路径的交换机的类型。因此，主动式交换机能够提供全网格连接，而不必提供互连光纤的全网格，或类似组构。此外，如果主动式交换机同时接收到其R_i个输入端的各自具有不同预期目的地的R_i个不同复用信号，那么所述主动式交换机能够同时发送所有信号。主动式交换机优选地以非阻塞方式操作，并且更优选地以严格非阻塞方式而不是可重排非阻塞方式操作。此处所描述的主动式交换机执行上述的“骨干”的功能，因为所述主动式交换机仅连接到交换机模块，而不连接到外部客户端装置。

在说明性示例中，其中整个阵列中的各主动式交换机具有相同的基数R(即整个阵列中的各主动式交换机具有R个输入端/输出端，不管与主动式交换机相关联的维度/子阵列如何)。这些是各交换机模块的基数R和维度的数目N。因而，使用如发明背景章节中所使用的记号，以下关系适用：

叶，即交换机模块的总数，P₁＝R^N

骨干，即主动式交换机的总数，

D＝2N

下面的表2示出了关于R和N的示例性值的C_总的值，并且示出了根据本发明的光电子交换机能够支持的客户端数目相对于折叠式克劳斯网络有着极大改进。应注意，这种改进在不同阵列中的交换机的基数不完全相同的情况下仍是明显的。然而，由于制造原因，优选的是，本发明的光电子交换机中所使用的所有主动式交换机是相同的或基本上相同。

表2：针对R和N的变化值，用于本发明的光电子交换机的C_总的值

在本发明的2D实施方案中，光电子交换机包括布置成X x Y阵列的互连的根据本发明的第一方面的交换机模块的阵列，所述阵列具有X列Y个交换机模块，和Y行X个交换机模块。因此，Y个行中的每一个具有相关联主动式交换机(具有X个输入端/输出端)，并且X列中的每一个具有相关联主动式交换机(具有Y个输入端/输出端)。各主动式交换机提供其相关联行或列中的所有主动式交换机之间的连接。在这种情况下，能够看到，各交换机模块连接到两个不同的主动式交换机，即与其列相关联的主动式交换机和与其行相关联的主动式交换机。

因此，用于此类光电子交换机中的交换机模块各自需要两个组构部分。

类似地，在本发明的3D实施方案中，光电子交换机包括布置成X x Y x Z阵列的互连的根据本发明的第一方面的交换机模块的阵列，所述阵列具有：

X个列(各列由Y x Z阵列组成)，

Y个行(各行由X x Z阵列组成)和

X个层(各层由X x Y阵列组成)。

因而，交换机模块的各子阵列具有相关联的主动式交换机，所述交换机模块中的每一个位于例如同一列/行中，但层不同。因此，有X x Y个主动式交换机与含有仅层不相同的Z个交换机模块的子阵列相关联，各主动式交换机具有Z个输入端/输出端。而且，有X x Z个主动式交换机与含有仅行不相同的Y个交换机模块的子阵列相关联，各主动式交换机具有Y个输入端/输出端。而且，有Y x Z个主动式交换机与含有仅列不相同的X个交换机模块的子阵列相关联，各主动式交换机具有X个输入端/输出端。类似于以上的2D情况，各交换机模块连接到三个不同的主动式交换机，即与段落中较早所描述的子阵列中的每一个相关联的主动式交换机。因此，在根据本发明的光电子交换机的3D实施方案中，各交换机模块需要三个组构部分。

从上文能够看到，优选的是，各交换机模块具有至少N个组构部分，所述N个组构部分中的每一个与不同的子阵列相关联，所述交换机模块是所述子阵列的成员。因此，经由用于所述子阵列的专用组构部分，所述交换机模块能够经由与所述子阵列相关联的主动式交换机将数据传送到所述子阵列中的任何其它交换机模块。在光跳跃已经发生之后，信号到达作为不同于第一子阵列的子阵列集合的成员的不同交换机模块，并且接着能够执行相同处理以将数据发送到具有共用的子阵列的另一交换机模块。这样，从一个交换机模块到另一个交换机模块的所有数据传送能够在一系列光跳跃和电子跳跃中进行。

在这个布置中，有可能通过最多N个光跳跃(其中光跳跃是涉及信号经由主动式交换机经过光学组构的跳跃)将来自阵列中的任何交换机模块的数据发送到所述阵列中的任何其它交换机模块。这种情况是可能的，因为个别交换机模块能够充当中间交换机模块，即因为第一组构部分的输出端能够将电子信号(例如数据包)发送到同一交换机模块上的另一组构部分的输入端，并且对应地，交换机模块上的第一组构部分的输入端能够接收来自第二交换机模块的输出端的数据。电子信号可以使用集成交换机在两个组构部分之间传送，所述集成交换机例如电子交叉开关交换机，或提供两个组构部分、两个客户端部分之间的连接或一个组构部分与一个客户端部分之间的连接的电子共享存储器交换机。因此，在数据传送操作期间，数据能够执行到位于同一子阵列中的另一组构部分的光跳跃，此经由与所述自子阵列相关联的主动式交换机。接着，数据能够执行通过交换机模块本身到与不同子阵列相关联的组构部分的电子跳跃，然后，第二光跳跃可发生-所述过程重复至多N次，直到数据包到达其最终目的地，即具有数据(例如呈包形式)传送到输出装置所经由的客户端部分的交换机模块。

在各交换机上有多于N个组构部分的情况下，提供了用于将光电子交换机扩展到更高维度中的灵活性。举例来说，考虑具有组织成正方形阵列的M²个模块的2D光电子交换机的情况。通过经由新的主动式交换机来连接各(新界定)层中的具有相同行和相同列的各交换机模块上的闲置组构部分以界定新的子阵列和相关联主动式交换机，这个情况可以扩展成具有组织成立方体阵列(即N层N²个交换机)的M³个交换机模块的3D光电子交换机。多余组构端口也可以通过提供一个以上组构部分以在同一子阵列内将一交换机模块连接到另一交换机模块来利用。

各交换机模块的传输侧转换构件优选地还包括传输侧包处理器，所述传输侧包处理器被配置成接收所述第一电子信号，所述第一电子信号呈具有含有所述目的地信息的包标头的包、优选地原始包的形式。除了数据本身之外。包括在包中的信息可包括与所述包的目的地，例如包最后应发送到的客户端部分，有关的信息。所述包标头还可包括各种信息段，所述信息段包括源和目的地地址、包长度、协议版本、序号、净荷类型、跳跃计数、服务质量指示符以及其它信息。

所述传输侧包处理器可被配置成执行包分片，其中具有相同目的地交换机模块的数据包被布置到具有预定大小的帧中，并且其中所述数据包可分割成布置在对应多个帧中的多个包碎片，并且其中任选地，一个帧可含有来自一个或多个数据包的数据。各包碎片优选地具有其自己的包碎片标头，所述包碎片标头包括至少识别包碎片最初所属的包的信息，使得可在后续处理和传输之后重建所述包。举例来说，考虑配置所述包处理器，使得帧净荷大小为1000B，并且将400B、800B和800B的三个包输入到交换机模块中的情况。如果这些包中的每一个会在单独帧中各帧一个包地发送，那么这可以表示(400+800+800)/3000＝67％的效率。然而，通过使用包分片，第一帧可包括400B包，和第一800B包的200B，然后，第二帧可包括第二800B包和第一800B包的剩余200B。这样产生100％的效率。通过这个过程建构的帧凭借自身能力来表示数据包，且因此，当包经历多于一次的光跳跃以便达到目的地交换机模块时，进一步的分片可在中间交换机模块处进行。

为了使效率达到最大，对帧的后续处理(例如转发所述帧以便转换成所述第一多个光信号)可不进行，直到帧的填充比例达到预定阈值，优选地大于80％，更优选地大于90％，且最优选地100％。在已预定时间量过去之后，包可被交替地发送以用于后续处理。这样，如果给定交换机模块的数据包停止到达包处理器，那么仍可发送仍低于阈值填充比例的帧以用于后续处理，而不是使包处理器停滞。所述预定时间量可介于50ns与1000ns之间，但优选地介于50ns与200ns之间。最优选地，时间间隔为大约近似100ns。因此，所述传输侧包处理器可包括或相关联于传输侧存储器，所述传输侧存储器用于在帧建构期间暂时地存储不完全的帧。过去的时间可视通信需求而改变；通常，通信流量的速率越高，过去的时间会越短，并且通信流量的较低速率可导致增加的时间间隔。

当所述包处理器被配置成执行包分片时，所述接收侧转换构件优选地还包括接收侧包处理器，所述接收侧包处理器被配置成在所述原始包分散在一个以上帧中时从所述包碎片重建所述原始包。此操作可参考上述的包碎片标头进行。当包在其从源到目的地的旅程中经历由连续中间交换机模块进行的几次单独分片时，所述接收侧包处理器对包的最终重新组装可被延迟，直到所述原始包的所有构成部分已经到达目的地交换机模块。因此，所述接收侧包处理器可包括或相关联于接收侧存储器，以便暂时地存储所述构成部分。

所述传输侧转换构件可包括被配置成接收来自光源的光的调制器，且更优选地，包括多个调制器、优选地光调制器。光调制器可以是相位或强度调制器，例如电吸收调制器(EAM)、弗朗兹-凯尔迪什(Franz-Keldysh)调制器、基于量子限制斯塔克效应的调制器、马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)调制器，并且所述多个调制器优选地包括8个调制器。各调制器可仅与单个光源相关联或可由较少光源照亮，其中所述光源在调制器之间共享。各调制器可被配置成接收来自所述输入端或所述传输侧包处理器的电子信号，和来自光源的未调制光。通过组合电子信号和未调制光，调制器生成调制光信号，所述调制光信号具有与来自光源的未调制光相同的波长，并且携带由原始电子信号携带的信息。此调制光信号接着可被传输到所述传输侧复用器。光源优选地呈激光的形式，以便生成限于窄波长带的基本上单色的光束。为了使损失最小，调制器优选地配置成接收波长在电磁波谱的C带或L带中，即1530nm到1625nm的光。更优选地，光具有在C带或“铒窗”内的波长，具有1530nm到1565nm的波长。

激光可以是固定波长激光或可调激光。在调制器的阵列中，与各调制器相关联的光源应具有不同波长，并且带宽不重叠，以便使复用器中的串扰减到最小。当光源是激光时，调制器可为电吸收调制器(EAM)的形式，EAM使用变化的电压来调制激光的强度，从而携带电子信号中所含的信息。使用EAM意味着仅改变激光的强度，而非频率，且因此防止调制光信号的波长的任何变化。

当存在多个调制器时，所述传输侧包处理器也可被配置成执行包切片，其中帧(如通过上述的包分片过程建构)或数据包被切片成第一多个电子信号。所述第一多个电子信号中的每一个接着被发送到所述多个调制器中的不同调制器，所述电子信号借此转换成第一多个光信号。所述接收侧转换构件可包括光检测器，例如用于将第二多个光信号转换成第二多个电子信号的光二极管。更优选地，所述接收侧转换构件可包括多个光检测器。所述接收侧包处理器可被配置成将表示包切片的所述第二多个电子信号重组成所述第二电子信号。通过在发送到另一交换机模块之前将包或帧划分成多个切片，可使用由复用器复用到单个光链接中的许多不同波长来发送数据。这样，几个信息段可平行地发送，并且导致增大的带宽和更高效的数据传送。

在传输侧包处理器被配置成执行包切片和包分片两者的情况下，包分片步骤(即形成数据的帧)首先进行，接着将帧切片。相应地，在接收信号的目的地(或中间)交换机模块上，所述包处理器将所述第二多个电子信号(即包切片)重组成单个第二电子信号，之后从所述帧重建所述原始包。

在分片之后，建构各自含有仅为单个目的地交换机模块准备的数据的帧。此后，数据被转换成波长不同的所述第一多个光信号，数据所述传输侧复用器进行波长复用以形成所述复用组构输出信号。优选地，交换机模块被配置成在突发模式中操作，其中所述交换机模块被配置成在一连串连续突发中发送所述复用组构输出信号，每一突发包括来自单个数据帧的包和/或包碎片，以使得每一突发仅包括具有相同目的地模块的包和/或包碎片。各连续突发可包括具有不同目的地交换机模块的数据帧。成对的顺序突发可按预定时间间隔分离开，所述预定时间间隔可介于50ns与1000ns之间，但是优选地介于50ns与200ns之间。最优选地，所述时间间隔为大约近似100ns。优选地，连接到单个子阵列的主动式交换机的所有组构部分被配置成同步地操作，即各组构部分同时发送突发到主动式交换机的输入端。这样，主动式交换机能够在一次交换动作中将各信号路由到下一个交换机模块。

传输侧包处理器也可被配置成对传入数据包进行纠错。此操作可由例如纠错和再传输或前向纠错(FEC)的方法进行。另外，所述交换机模块还可包括管理部分，所述管理部分被配置成执行组构管理过程，所述组构管理过程包括初始化、程序路由/转发表、故障报告、诊断、统计信息报告以及计量。

为了控制主动式交换机对数据的交换，交换机模块的各子阵列可包括仲裁器，所述仲裁器被配置成基于存储在待交换的数据包中的目的地信息来控制包括于所述子阵列中的主动式交换机的操作。这允许提供确保所有数据以非阻塞方式到达其目的地的路线，并且将瓶颈的出现减到最小。所述仲裁器可连接到控制交换机的操作的交换机驱动器。所述仲裁器可连接到包括其的子阵列的各交换机模块中的传输侧包处理器。替代地，各交换机模块的各组构部分还可包括控制器，所述仲裁器可经由所述控制器连接到所述传输侧包处理器。当在所述传输侧包处理器处接收到数据包时，所述传输侧包处理器被配置成发送请求到所述仲裁器，所述请求优选地识别数据包的目的地交换机模块。所述传输侧包处理器可在查找表中或以其它方式查找所述传输侧包处理器连接到的所述主动式交换机的哪个输出端对应于作为所述请求的主题的所述目的地交换机模块。更具体地，连接到所述目的地交换机模块或接下来的光跳跃应发生的中间交换机模块的输出端接着向所述仲裁器请求所述输出端本身。

因此，所述传输侧包处理器和所述仲裁器中的一个或其两者可包括查找表，所述查找表含有将子阵列中的交换机模块与主动式交换机的R_i个输出端关联的信息。当作出请求时，所述仲裁器接着建立在可能的最大程度上确保各包能够执行其下一次光跳跃的方案。更具体地，所述仲裁器可被配置成执行用以计算主动式交换机的R_i个输入端与R_i个输出端之间的配对的二分图匹配算法，使得各输入端与至多一个输出端配对，反之亦然。自然地，在一些情况下，例如在几个组构部分发送全部为主动式交换机的同一个输出端准备的大量数据的情况下，所述请求无法满足。因此，所述仲裁器可被配置成将与无法满足的请求有关的信息存储在请求队列中。然后，直到这些请求被满足，在交换机模块上，例如在所述传输侧包处理器中或在单独传输侧存储器中，缓冲相关联数据。这样，例如当局部瓶颈在主动式交换机处出现时，无法被满足的请求被延迟，而不是被丢弃。换句话说，所述仲裁器维持交换机模块上的缓冲存储器或虚拟输出队列(VOQ)的状态，这个状态可以是计数器(对例如每个VOQ的包或字节的数目计数)的形式，或存储包描述符的先进先出(FIFO)的形式。然而，实际包本身保持存储在交换机模块上，而不是仲裁器处。

当对于包来说有必要执行多于一次的跳跃以便到达其目的地交换机模块时，路线可完全从源交换机模块和目的地交换机模块的坐标之间的比较推断。举例来说，在被称为维度排序路由的过程中，第一跳跃可匹配源和目的地交换机模块的第一坐标，第二跳跃可匹配源和目的地交换机模块的第二坐标，诸如此类，直到所有坐标匹配，即直到包已经传送到目的地交换机模块。举例来说，在四维网络中，如果源交换机模块会具有坐标(a,b,c,d)并且目的地交换机模块会具有坐标(w,x,y,z)，那么维度排序路线可以是：(a,b,c,d)→(w,b,c,d)→(w,x,c,d)→(w,x,y,d)→(w,x,y,z)。在沿着路线的任何点处，包处理器可比较源交换机模块的坐标和目的地交换机模块的坐标，并且确定哪些坐标还不匹配。然后，包处理器将决定沿着例如具有最低索引或最高索引的非匹配方向路由。

本发明的主动式交换机可以是光学主动式交换机的形式。此类光学主动式交换机可基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的布置，并且更具体地说，可以是MZI级联交换机的形式。MZI级联交换机包括多个MZI，其各自具有：在输入耦合器处分开的两个臂，并且两个臂将分开的路径馈送到用来重组所述路径的输出耦合器中；以及两个输出部分。所述多个MZI优选地被布置成提供从所述MZI级联交换机的各输入端到各输出端的通路。在可能的最大程度上，所述臂具有相同长度。替代地，在最好具有默认输出端的情况下，所述臂可能不平衡。各MZI可在一个或两个臂处包括电光区域，其中折射率取决于经由一个或多个电极施加到所述区域的电压。行进穿过所述电光区域的光的相位差因此能够通过经由电极施加偏压来控制。通过调整相位差且因此输出耦合处的所得干涉，光能够从MZI的一个输出端交换到另一输出端。优选地，所述MZI级联交换机具有R_i个输入端和R_i个输出端，并且这些可由例如多个1x 2和2x 1MZI组成，所述多个MZI被布置成提供从各输入端到各输出端的通路。当R_i为5或更大时，MZI级联交换机或例如此的任何其它主动式交换机在用于连接R_i个互连交换机模块的全网格中是有益的，这是因为全网格需要¹/₂·R_i(R_i-1)个光纤来连接所有组构部分，而主动式交换机仅需要2R_i个光纤。有可能通过建置R_i个“1xR_i解复用树”和R_i个“R_i x 1复用树”来形成具有R_i＝2ⁿ个输入端和输出端的MZI级联交换机，其中各树包括n个具1x 2(解复用)或2 x 1(复用)交换机的级，在第k级具有2^k个开关。通过在各侧建置R_i+1个树及忽略内部连接，在各级联交换机上可支持额外端口，使得输入端不连接到被连接到交换机本身的输出端。例如此的MZI级联交换机大部分是波长不可知的，并且因此能够在不需要输入端和输出端处的任何解复用/复用的情况下将整个复用组构输出信号从输入端交换到输出端。

替代地，主动式交换机可以是电子主动式交换机的形式，例如电子交叉开关交换机。更优选地，电子主动式交换机可以是电子共享存储器交换机。电子共享存储器交换机是还包括存储器的电子交叉开关交换机。交换机内存在存储器是有利的，因为这意味着交换机不仅能够执行交换，而且能够执行缓冲，即在瓶颈出现在电子共享存储器交换机处时存储包的队列，如上所述。这意味着包处理器上的电子器件能够被简化。

为了在本发明的架构中使用电子的而不是光学主动式交换机，必须将复用组构输出信号转换成能够用电方式交换的信号。因此，电子主动式交换机可包括各输入端处的光电转换器，所述光电转换器用于将复用组构输出信号从光信号转换为电子主动式交换信号；以及各输出端处的电光转换器，所述电光转换器用于将电子主动式交换信号转换为呈复用组构输入信号形式的光信号，其中电子主动式交换机被配置成将电子主动式交换信号从其R_i个输入端中的任一个交换到其R_i个输出端中的任一个。此外，为了处理信号的复用性质，所述光电转换器可包括解复用器，所述解复用器用于将复用组构输出信号解复用成第一多个中间光信号，所述中间光信号中的每一个优选地由对应的多个光检测器转换成用于交换到所要输出端的中间电子主动式交换信号，并且所述电光转换器可被配置成将所述多个交换后中间电子主动式交换信号转换成第二多个中间光信号，并且还包括用于复用所述第二多个中间光信号以形成复用组构输入信号的复用器。在优选实施方案中，电子主动式交换机可被配置成在与所述包或帧有关的请求无法得到满足时，暂时存储数据的包或帧的队列。

复用器、传输侧复用器、解复用器以及接收侧解复用器中的任一个或全部优选地呈阵列波导光栅(AWG)的形式，AWG是无源装置。AWG允许沿河单个光纤携带不同波长的多个光信号。因为由调制器产生的多个调制光信号的波长全部不同，所以由AWG产生的复用组构输出信号遭受很少串扰到无串扰，因为不同波长的光仅线性地干涉。替代地，替代AWG，复用信号可广播到许多波长选择性滤波器，其各自经调谐以接收一波长的所要***信号之一。

交换***中的重要考量，例如本发明的交换机，是其带宽。在以下讨论中，“带宽”用于指代特定部分能够实现的数据传送的最大速率，并且通常按每秒十亿位(在本文中缩写成“Gbps”)测量。具体地，重要的是确保按局部和全局规模两者来保留带宽。为了确保比同时能够从给定交换机模组传输离开的数据多的数据不可能在给定时间进入所述交换机模块(即产生局部化到交换机模块上的瓶颈)，交换机模块上的客户端部分的总带宽优选地不超过同一交换机模块上的组构部分的总带宽。更优选地，交换机模块上的组构部分的总带宽超过同一交换机模块上的客户端部分的总带宽，并且最优选地，交换机模块上的各组构部分的带宽超过或等于所述交换机模块上的所有客户端部分的总带宽。这样，能够避免由来自多个客户端装置的意外的大量传入数据全部被引导到同一交换机模块上的同一组构部分造成的局部瓶颈。特别地，这允许所有信号一起复用以用于非阻塞方式的后续传输。

在一优选实施方案中，主动式交换机位于光背板上或中，并且优选地连接到光背板。优选地，所述背板含有用于将交换机模块连接到主动式交换机的光链接，因此提供各交换机模块与各主动式交换机之间的连接，所述交换机模块中的每一个与主动式交换机共享子阵列。更具体地，所述光链接中的每一个可提供用于在交换机模块上的传输侧复用器与主动式交换机的输入端之间输送复用组构输出信号的连接。当背板与上述的光学主动式交换机或类似物结合使用时，可使用主动式光背板模块(AOBM)。交换机模块可以与背板分离或可从背板拆卸，使得所述交换机模块能够视外部要求来重新布置。因此，所述交换机模块也可包括用于连接到光背板的连接构件。所述连接构件可包括单模光纤的阵列，所述单模光纤利用MPO连接器或类似装置连结。

根据本发明的第三方面，提供一种用于N维光电子交换机中的光背板，所述光背板被布置成提供布置成N维阵列的N维阵列的交换机模块之间的连接，第i维度具有基数R_i(i＝1,2...N)，其中各交换机模块具有给出其相对于所述N个维度中的每一个的位置的相关联坐标集，并且各交换机模块是N个子阵列S_i的成员，各子阵列S_i包括仅关于在所述第i维度中的位置的坐标不相同的R_i个交换机模块，并且所述N个子阵列中的每一个与不同维度相关联，所述光背板包括：

主动式交换机的阵列，所述主动式交换机各自具有R_i个输入端和I_i个输出端，主动式交换机与交换机模块的各子阵列S_i相关联，所述交换机阵列经配置以使得当所述交换机模块阵列连接到光背板时：

各主动式交换机的各输入端经由光链接连接到所述相关联子阵列S_i中的所述R_i个交换机模块中的每一个，

所述主动式交换机被配置成将从所述光链接接收到的信号从其R_i个输入端中的任一个引导到其R_i个输出端中的任一个。

根据本发明的第四方面，提供一种用于使用根据本发明的第二方面的N维光电子交换机将数据包从第一交换机模块交换到第二交换机模块的方法。应当注意，上述光学特征中的任一个可结合本发明的第四方面的方法以及所述第一、第二和第三方面的硬件应用。所述方法包括以下步骤：

(a)在第一交换机模块的组构部分的输入端处接收携带识别预期目的地交换机模块的信息的数据包；

(b)将所述包转换成含有相同信息的第一多个光信号；

(c)将所述第一多个光信号复用成复用组构输出信号；

(d)将所述复用组构输出信号传输到主动式交换机的输入端，所述主动式交换机与所述第一和第二交换机模块两者位于同一子阵列S_i中；

(e)将所述复用组构输出信号交换到对应于所述第二交换机模块的所述主动式交换机的输出端，以生成复用组构输入信号；

(f)在所述第二交换机模块的第一组构端口处将所述复用组构输入信号解复用成第二多个光信号；

(g)将所述第二多个光信号转换回成所述原始数据报；以及

(h)将所述数据包转发到所述第二交换机模块的客户端部分或所述第二交换机模块的第二组构部分的输入端。

此类方法适合例如在源和目的地交换机模块位于同一子阵列中时将信号从源交换机模块交换到目的地交换机模块。替代地，所述方法可适合从源交换机模块交换到中间交换机模块。通过添加以下步骤，所述方法可适于将信号传输到第三交换机模块，例如目的地交换机模块：

(i)在所述第二交换机模块的所述第二组构端口的所述输入端处接收携带识别所述目的地交换机模块的信息的数据包；

(j)将所述包转换成含有相同信息的第三多个光信号；

(k)将所述第三多个光信号复用成复用组构输出信号；

(l)将所述复用组构输出信号传输到与所述第二和第三交换机位于同一子阵列S_i中的主动式交换机的输入端；

(m)将所述复用组构输出信号交换到对应于所述第三交换机模块的所述主动式交换机的输出端，以生成复用组构输入信号；

(n)在所述第三交换机模块的第一组构端口处将所述复用组构输入信号解复用成第二多个光信号；

(o)将所述第二多个光信号转换回成所述原始数据包。

由于光电子交换机适合于将光信号从输入装置传送到输出装置，因此在步骤(a)之前，可从输入装置接收光信号，并且在步骤(h)或步骤(o)之后，依据是否需要中间光跳跃，可将数据包转发到输出装置。

在一些实施方案中，不是各子阵列包括单个主动式交换机，而是所述子阵列可包括多个或一组主动式交换机，因此，本发明的另一方面可提供用于将光信号从输入装置传送到输出装置的N维光电子交换机，所述光电子交换机包括多个如权利要求1所述的交换机模块，所述交换机模块是互连的，其中：

所述交换机模块中的每一个被配置成生成复用组构输出信号；

各子阵列S_i还包括被布置成提供所述子阵列中的所有交换机模块之间的连接的一个或多个主动式交换机；

各主动式交换机的输入端被配置成接收来自所述子阵列中的所述R_i个交换机模块中的一个或多个交换机模块的复用组构输出；并且

所述一个或多个主动式交换机中的每一个被配置成基于在所述交换机模块的所述传输侧输入端处接收到的所述第一电子信号中所含的所述目的地信息，将复用组构输出信号从所述子阵列中的任何交换机模块引导到所述子阵列中的任何其它交换机模块，所述主动式交换机从所述交换机模块接收所述复用组构输出信号。

特别地，在本发明的以上方面的一些实施方案中，R_i个交换机模块的一个子阵列仅包括具有R_i个输入端和R_i个输出端的单个主动式交换机，并且：

所述主动式交换机的各输入端被配置成接收来自所述子阵列中的所述R_i个交换机模块中的每一个的复用组构输出信号，

所述交换机模块中的每一个被配置成接收来自所述主动式交换机的所述R_i个输出端中的一个的复用组构输出信号，并且

在其它实施方案中，子阵列S_i中的至少一个可包括P_sub个被优选地布置以形成网络的主动式交换机，所述网络连接所述子阵列中的各开模块与所述子阵列中的各其它交换机模块。P_sub对于所有子阵列可以相同，并且可等于给定子阵列中的交换机模块的数目，或替代地，P_sub可大于或小于给定子阵列中的交换机模块的数目。在一些实施方案中，P_sub对于与给定维度相关联的所有子阵列可以相同，但是P_sub从维度到维度可以不同。在一些实施方案中，对于与一些维度相关联的子阵列，可能仅有单个主动式交换机互连那些子阵列内的交换机模块，并且多个或一组P_sub个主动式交换机存在于与其它维度相关联的子阵列中。这使得光电子交换机能够适应客户端的需要。使用子阵列内的多个主动式交换机消除了对大基数主动式交换机的需要，从而用几个具有小基数的主动式交换机来替换所述大基数主动式交换机。在优选实施方案中，P_sub可等于各交换机模块上的客户端端口的数目。

在本发明的一些实施方案中，在给定子阵列中，交换机模块与一个或多个主动式交换机之间可存在额外“层”的交换机。所述额外层的交换机在本文中被称为“中间交换机”。换句话说：给定子阵列中的各交换机模块是经由中间交换机连接到所述子阵列中的主动式交换机。所述中间交换机可以是光学主动式交换机，或电子主动式交换机，例如电子包交换机。交换元件(即交换机模块、中间交换机和主动式交换机)的性质将在本申请中更详细地讨论。为清楚起见，在以下段落中，使用术语“叶和骨干”，借此采用以下术语：交换机模块被称为“叶交换机”并且主动式交换机被称为“骨干交换机”。

在一个或多个优选实施方案中，中间交换机是双向的，即中间交换机在两个方向上输送信号。双向交换机的示例是稍后将详细地描述的电子包交换机。在包括双向中间交换机的实施方案中，信号可通过信号跳跃时的同一“层”中间交换机从源叶交换机发送到骨干交换机，并且在信号旅程中从骨干交换机发送到目的地叶交换机。在此类实施方案中，子阵列的结构可由折叠式克劳斯网络表示，折叠式克劳斯网络允许光电子交换机缩放，从而不需要使用笨重并且可能高成本的大基数主动式交换机(即大基数骨干交换机)，即允许彼此可连接的外部客户端的数目大大增加。

在使用单向中间交换机的实施方案中，在所述情况下可能需要包括用于从源叶交换机到骨干交换机的跳跃的第一层中间交换机，和用于从骨干交换机到目的地叶交换机的第二层中间交换机。此类互连最好使用展开式克劳斯网络(或“部分折叠”克劳斯网络)来表示，但是不在本发明权利要求书的范围内。

折叠式/展开式/部分折叠式克劳斯网络或任何类克劳斯网络的使用确保了光电子交换机的有利非阻塞操作。事实上，给定子阵列中的叶交换机、中间交换机和骨干交换机可用具有合适路径冗余以确保或改进非阻塞操作的范围的任何其它网络配置来互连。

使用上文所述的术语叶和骨干，实施方案可被定义为用于将光信号从输入装置传送到输出装置的N维光电子交换机，所述光电子交换机包括：

多个叶交换机，其各自具有基数R并且被布置成N维阵列，其中各维度i具有相应大小R_i(i＝1,2,...,N)，各叶交换机具有给出其相对于所述N个维度中的每一个的位置的相关联坐标N元组(x₁,...,x_N)；

其中各叶交换机是N个子阵列的成员，所述N个子阵列中的每一个与所述N个维度中的不同维度相关联，并且包括：

多个R_i叶交换机，所述叶交换机的坐标仅关于第i维度不相同，各叶交换机具有C个用于连接到输入装置或输出装置的客户端部分，和F个用于连接到骨干交换机的组构部分；

多个S_i骨干交换机，其各自具有R个用于连接到所述叶交换机的所述组构部分的组构部分，并且

其中在给定子阵列中，所述子阵列中的各叶交换机是经由中间交换机连接到各骨干交换机。

为了解包括连接在叶交换机与骨干交换机之间的中间交换机的实施方案的有利效应，考虑骨干交换机仅经由单个骨干交换机或一组平行骨干交换机来连接的子阵列(“平行”意味着骨干交换机各自仅连接到叶交换机，而不连接到其它骨干交换机)。这些骨干交换机中的每一个有比较连接到考虑中的子阵列中的每个叶交换机，并且各叶交换机必须连接到每个骨干交换机，否则有可能不能提供每个叶交换机与子阵列中的所有其它叶交换机之间的连接。

因此，如上所述，对于大型子阵列，需要大量的大基数骨干交换机。每个叶交换机仍然需要具有到每个骨干交换机的连接，但是在此处所讨论的实施方案中，叶交换机是经由中间交换机连接到骨干交换机。各中间交换机可具有多个输入端和多个输出端，输入端的数目与输出端的数目相同。中间交换机的“基数”指的是输入端的数目或输出端的数目，而不是指输入端和输出端的总数。因此，给定中间交换机的输出端可连接到子阵列中的多个或一组骨干交换机。给定叶交换机可连接到中间交换机的集群，各中间交换机连接到一组骨干交换机。更具体地，给定叶交换机所连接到的所述集群的中间交换机中的每一个可连接到骨干交换机的不同不相交集合(“不相交”意味着给定集群中没有两个中间交换机连接到同一个骨干交换机，即骨干交换机的集合无重叠)。

这样，考虑中的叶交换机可连接到子阵列中的所有骨干交换机，但是是经由较小基数的中间交换机。因为中间交换机还具有多个输入端，所以这些输入端能够在多个叶交换机之间共享。换句话说，对于中间交换机的给定集群(中间交换机的输出端提供到子阵列中的所有骨干交换机的连接)，所述集群中的各中间交换机的各输入端可连接到相应(即不同)的叶交换机。因此，叶交换机可划分成多个集群，且特定地：在给定子阵列中，叶交换机可划分成多个集群，所述集群各自含有多个叶交换机。各集群可具有其自身的相关联中间交换机集群，所述中间交换机经由中间交换机的集群来提供阵列中的各叶交换机集群与各骨干交换机之间的连接，换句话说，各叶交换机集群可与一个或多个中间交换机的集群相关联以形成线卡组件，集群中的各叶交换机可连接到线卡组件中的各中间交换机，并且中间交换机可经布置为使得信号在从叶交换机传送到骨干交换机期间通过中间交换机。

任选地，在给定子阵列中，各骨干交换机可连接到位于所述子阵列中的线卡组件中的中间交换机，并且所述线卡组件中的不超过一个组构进入中间交换机连接到给定骨干交换机。在线卡组件内，可有M个相异的中间交换机集合，各集合被配置成在含有所述线卡组件的相应子阵列内传送信号，那些子阵列中的每一个与所述M个维度中的相应维度相关联。

为了将拓扑正则性最大化，优选地，本发明的实施方案中所使用的所有或基本上所有中间交换机具有相同的基数，或更具体地，相同数目个输入端和输出端。特别地，当给定子阵列中的所有中间交换机具有给定基数时，有可能支持相同数目个骨干交换机，而不损害对分带宽，叶交换机的数目以所述基数为倍数增加。举例来说，如果使用基数3的中间交换机，那么子阵列的大小可变为三倍。换句话说，放大阵列的机会大大增加，却无需增加所使用的骨干交换机的大小。

上述连接与将信号从叶交换机的输出端传输到骨干交换机的输入端有关。为了完成信号从子阵列中的一个叶交换机到子阵列中的另一叶交换机的发送，信号必须从骨干交换机的输出端发送到目的地(或中间)叶交换机上的组构部分。这个传输也经由中间交换机进行，所述中间交换机优选地不同于信号进入骨干交换机所用的中间交换机，但是有可能的是，所述中间交换机是同一集群的成员。

当叶交换机、中间交换机和骨干交换机如上所述时，在给定子阵列内，叶交换机是经由五级克劳斯网络有效地连接，即叶交换机→中间交换机→骨干交换机→中间交换机→叶交换机。如所讨论的，使用例如此的克劳斯网络(或部分折叠式克劳斯网络)意味着有可能适应非阻塞方式的子阵列中的R_i个叶交换机之间的一对一配对的任何组合。

先前段落中所描述的布置不必用于所有N个维度中的交换。在本发明的一些实施方案中，给定子阵列中的各叶交换机可经由仅关于与M个维度相关联的子阵列的中间交换机连接到各骨干交换机，其中M<N。上文提出的其它任选特征可应用于叶交换机之间的交换是经由中间交换机进行的任何或所有维度。

任何或所有叶交换机、骨干交换机和中间交换机可布置在光背板上。因此，叶交换机、中间交换机和骨干交换机可位于卡上。卡可以是上面形成了例如电子部件、光部件和控制部件(即仲裁器)的印刷电路板。卡也可以在其间容纳光部件和电子部件。特别地，本发明的实施方案可包括两种类型的卡：线卡和组构卡。更具体地，部件可位于线卡或组构卡上。线卡是“面向客户端”的卡，并且组构卡是“面向组构”的卡。

叶交换机和中间交换机，即如上所述的线卡组件，可位于相应线卡上。更具体地，单个线卡包括至少一个叶交换机和至少一个中间交换机。在一些实施方案中，单个线卡可包括多个叶交换机和/或多个中间交换机。在存在叶交换机集群和相关联的中间交换机集群的实施方案中，叶交换机集群及其相关联的中间交换机集群优选地安装在同一个线卡上。在本发明的N维实施方案中，各叶交换机是N个子阵列的成员，如本申请中先前所讨论的。

在存在叶交换机集群和中间交换机集群的实施方案中，各叶交换机集群及其相关联的中间交换机集群可位于其自身的线卡上。在给定子阵列中，所述骨干交换机可位于组构卡上。所述组构卡也可包括用于控制信号通过位于所述组构卡上的骨干交换机的路径的仲裁器。所述组构卡也可包括多个仲裁器，其各自被配置成控制信号通过所述组构卡上的相应骨干交换机的路径。不需要所有骨干交换机都在同一个组构卡上，但是一个以上的骨干交换机可位于给定组构卡上。在本发明的当前实施方案中有两个控制要素：路由/负载平衡，和仲裁。

包处理器可基于包的目的地地址和当前位置作出路由决策。在从叶到骨干的路径上，路由决策选择要路由到的骨干(通常尝试平衡可用骨干上的负载)，骨干又确定局部叶交换机和中间交换机两者上的特定输出端口。中间交换机的输出识别符被传递到仲裁器，使得仲裁器能够确定中间交换机的哪个输入端需要连接到其哪个输出端。在从骨干到叶的路径上，路由决策根据包的目的地来选择适当的叶，所述叶又确定骨干和位于骨干和目的地叶交换机之间的适当中间交换机上的局部输出端口。

仲裁由仲裁器来执行，并且是仲裁器用来确定信号通过中间交换机应选取的路径(即从哪个输入端到哪个输出端)的过程，以便确保入射中间交换机的所有信号是朝向正确的下一个交换元件(所述交换元件可以是骨干交换机或叶交换机，这取决于信号处于哪个“级”)引导。因此，在一些实施方案中，可存在与给定子阵列中的各中间交换机相关联的仲裁器，换句话说，线卡可包括用于控制信号通过位于线卡上的线卡组件中所包括的中间交换机的路径的仲裁器，或可有多个仲裁器，其各自被配置成控制信号通过相应中间交换机的路径。替代地，由于中间交换机可具有小基数(例如2、3、4、5、6、7或8)，因此仲裁过程相对简单(例如与基数24的交换元件相比)，且因此多个仲裁器可组合成单个仲裁部件，所述仲裁部件可以是ASIC。在一些实施方案中，在各线卡上可存在单个仲裁器，或如上所述的单个仲裁部件。在本段中所描述的实施方案中，由仲裁器执行的控制被约束在考虑中的线卡的边界内。这将与控制面相关联的潜伏时间和同步问题减到最小：卡上的距离/飞行时间可被控制到单个卡的物理维度内的更紧容差，所述物理维度跨越可彼此相距相当大距离定位的卡。此外，通过具有几个仲裁器，其各自与少量(例如一个)中间交换机相关联，与必须相对缓慢地集中结局更复杂的问题相比，可以迅速并且平行地解决大量的小问题。

一般地说，中间交换机由仲裁器来控制，所述仲裁器被配置成基于存储在待交换的数据包中的目的地信息，控制给定子阵列内的中间交换机和骨干交换机中的至少一个的动作。这因而允许提供路线，所述路线确保所有数据以非阻塞方式到达适当的叶交换机，并且将瓶颈的出现减到最少。叶交换机中的包处理器可各自连接到仲裁器。当在所述传输侧包处理器处接收到数据包时，所述包处理器可发送请求到所述包处理器连接到的仲裁器，所述请求优选地识别目的地叶交换机，或替代地识别所述数据包应发送到的下一个叶交换机(其可以是目的地叶交换机)。仲裁器接着能够产生确保在可能的最大程度上，各包能够执行其下一次跳跃的方案。叶交换机的结构将在下文更详细地描述。

仲裁器可使用专用的控制通道连接到其它部件，例如包处理器和中间交换机。所述仲裁器也可连接到驱动器芯片，所述驱动器芯片被配置成控制中间交换机的动作。

为了易于制造根据本发明的实施方案的光电子交换机，优选的是，叶交换机中的每一个均含有与骨干交换机中的每一个相同的部件。此外，在其它实施方案中，中间交换机中的每一个可含有与叶交换机和/或骨干交换机中的每一个相同的部件。有效地，所有交换元件(即交换机模块、主动式交换机、叶交换机、中间交换机以及骨干交换机，取决于所使用的术语)可以相同或基本上相同。如此，光电子交换机可通过装配这些元件来建构，然后，交换元件的不同功能性(例如如上所述的叶交换机、中间交换机和骨干交换机的不同功能)可使用例如软件来控制。中间交换机和骨干交换机与叶交换机的不同之处可在于，中间交换机和骨干交换机不具有客户端部分，这是因为中间交换机和骨干交换机仅连接到光电子交换机内的其它交换元件，而不连接到客户端(即外部)装置。此外，必须强调的是，虽然交换元件可具有相同部件，或可以在结构上相同或基本上相同，但是不同类型的交换元件的功能性可改变。应当注意，采用术语叶/骨干/中间的原因是说明三种类型的交换元件可以相同/基本上相同，而不是使用如可能看上去是不同部件的“交换机模块”和“主动式交换机”的术语。

为了使用描述中稍早所采用的术语“叶和骨干”，三种不同类型的交换机可如此定义：

■叶交换机是具有以下各项的交换元件：

第一组构部分和第二组构部分，其各自用于处理信号并且与其它交换元件通信，所述第一组构部分具有传输侧和接收侧，

所述传输侧具有：

所述第二组构部分的输出端，或

输入装置；

传输侧复用器，所述传输侧复用器用于将所述第一多个光信号转换成复用组构输出信号以供传输到中间交换机或骨干交换机，并且

所述接收侧具有：

接收侧复用器，所述接收侧复用器用于接收来自中间交换机或骨干交换机的复用组构输入信号，并且将所述复用组构输入信号分离成第二多个光信号；

所述第二组构部分的传输侧输入端，或

输出装置。

■骨干交换机是具有以下各项的交换元件：

所述传输侧具有：

传输侧输入端，所述传输侧输入端用于接收携带信息的第一电子信号，所述信息包括关于所述第一电子信号的目的地交换机模块的信息，所述第一电子信号是从所述第二组构部分的输出端接收

传输侧复用器，所述传输侧复用器用于将所述第一多个光信号转换成复用组构输出信号以供传输到中间交换机或叶交换机，并且

所述接收侧具有：

接收侧复用器，所述接收侧复用器用于接收来自中间交换机或叶交换机的复用组构输入信号，并且将所述复用组构输入信号分离成第二多个光信号；

接收侧输出端，所述接收侧输出端用于将所述第二电子信号发送到所述第二组构部分的传输侧输入端。

■中间交换机是具有以下各项的交换元件：

所述传输侧具有：

传输侧复用器，所述传输侧复用器用于将所述第一多个光信号转换成复用组构输出信号以供传输到骨干交换机或叶交换机，并且

所述接收侧具有：

接收侧复用器，所述接收侧复用器用于接收来自骨干交换机或叶交换机的复用组构输入信号，并且将所述复用组构输入信号分离成第二多个光信号；

从此部分可以看出，信号在其从源到目的地叶交换机的旅程中遇到的交换元件的次序可以是：

■在包括中间交换机的实施方案中：源叶交换机→中间交换机→骨干交换机→中间交换机→目的地叶交换机。

■在不包括中间交换机的实施方案中，即在存在单个骨干交换机，或单一组的平行骨干交换机的情况下：源叶交换机→骨干交换机→目的地叶交换机。

从上述内容显而易见，仅叶交换机包括客户端部分，这是因为这样叶交换机是仅有的“面向客户端”交换元件。中间交换机和骨干交换机被限定为将所有叶交换机连接在一起的互连组构，且因此仅包括组构部分。在以上内容中将注意到，光电子交换机中的所有交换元件可以相同或基本上相同。尽管骨干交换机和中间交换机不具有客户端部分，但这仍是可能的，这是因为术语“客户端部分”是用于描述外部装置可连接到这些部分的事实的功能术语。交换元件中的每一个可具有相同的物理结构，但是各种不同的用途可能不同。类似地，当交换元件视本发明的特定实现方式而充当叶/骨干/中间交换机时，可使用不同数目个客户端/组构部分。还值得注意的是，上文参考本发明的第一方面的交换机模块所阐述的光学特征同样适用于如此处所定义的叶交换机、骨干交换机和中间交换机。

设想类似优点可以通过提供用于将光信号从输入装置传送到输出装置的光电子交换机来实现，所述光电子交换机包括多个互连的根据本发明的第一方面的交换机模块，其中：

所述交换机模块被布置成N维阵列，第i维度具有基数R_i(i＝1,2,...N)，并且各交换机模块具有给出其相对于所述N个维度中的每一个的位置的相关联坐标集；

各交换机模块是至多N个子阵列的成员，所述N个子阵列与相关的交换机模块的坐标集相关联；

所述交换机模块是由各自具有输入端和输出端的主动式交换机的阵列连接，其中各主动式交换机与所述交换机模块阵列的一给定子阵列或数个给定子阵列相关联，

并且，在使用中：

各主动式交换机的各输入端被配置成接收来自其连接到的交换机模块的复用组构输出信号，

各主动式交换机被配置成基于在所述交换机模块的所述传输侧输入端处接收到的所述第一电子信号中所含的所述目的地信息，将信号从其输入端中的任一个引导到其输出端中的任一个，所述主动式交换机从所述交换机模块接收复用组构输出信号，并且

从所述主动式交换机的输出端发送的信号形成复用组构输入信号，其可由所述主动式交换机连接到的另一交换机模块接收。

图式说明

本发明的这些和其它特征及优点将参考说明书、权利要求书和附图来了解及理解，其中：

图1是示出本发明的一实施方案中的可用来连接两个交换机模块的方式的示意图。

图2是交换机模块的示意图，识别出不同功能部分。

图3是示出在根据本发明的第一方面的一实施方案的交换机模块内部的组构部分的部件的示意图。

图4是示出根据一替代性配置的交换机模块的两个不同组构部分的部件的示意图。

图5是可使用根据本发明的一实施方案的交换机模块建构的一维交换机的示意图。

图6是根据本发明的第二方面的一实施方案的二维交换机的示意图，并且所述二维交换机可使用根据本发明的第一方面的一实施方案的交换机模块建构。

图7是根据本发明的第二方面的另一实施方案的二维交换机的替代性布局的示意图，并且所述二维交换机可使用根据本发明的第一方面的一实施方案的交换机模块建构。

图8是根据本发明的第二方面的另一实施方案的三维交换机的示意图，并且所述三维交换机可使用根据本发明的第一方面的一实施方案的交换机模块建构。

图9A、B和C是示出根据本发明的第二方面的交换机架构的另外示例的示意图，其中所有主动式交换机具有相同数目的输入端/输出端。

图10是示出仲裁器可连接到根据本发明的第二方面布置的交换机模块所用的方式的示意图。

图11是示出根据本发明的一实施方案的仲裁器与空间光交换机之间的连接的示意图。

图12示出了马赫-曾德尔交换机的示例性设置，所述交换机可用作作为根据本发明的第二方面的一实施方案的交换器阵列的部分的空间光交换机；

图13A、B和C各自示出本发明的实施方案的示例，其中使用了电子主动式交换机或多个电子主动式交换机，而不是光学主动式交换机。

图14A、B和C示出2D光电子交换机的表示。图14A和B是折叠式的；仅14C是展开式的。

图15A、B和C示出已知的折叠式克劳斯网络的示意图。

具体实施方式

下面结合附图所陈述的详细描述意欲作为对根据本发明所提供的交换机模块和光电子交换机的示例性实施方案的描述，并且不意欲表示可用来建构或利用本发明的仅有形式。所述描述结合所说明实施方案陈述了本发明的特征。然而，应当理解，相同或等效的功能和结构可以通过也打算涵盖在本发明的精神和范围内的不同实施方案来实现。如本文中别处所指明，相似元件符号意欲指示相似元件或特征。

图1是描绘根据本发明的实施方案的交换机架构的两个交换机模块之间的典型连接的示意性图示。在这个图中，各交换机模块上仅示出了两个光检测器P和两个调制器M，以便说明交换机模块之间的连接。

交换机模块1具有用于与存在于光电子交换机中的其它交换机模块(在该示意图中，仅交换机模块2)连接的组构侧F1，和用于连接到外部设备的客户端侧C1。在交换机模块1的组构侧F1上，有两个电吸收调制器M1、M2，所述调制器的输出入射在复用器MUX1上，在这种情况下，复用器MUX1是AWG。MUX1组合退出M1和M2的信号并且将所述信号(虚箭头)传输到R_i x R_i光学主动式交换机(在本文中，“光学主动式交换机”，除非上下文另外清楚说明)4，所述光学主动式交换机具有R_i个输入端和R_i个输出端。此交换机的特性会将下文更详细地描述。

光学主动式交换机4将来自复用信号到达的输入端的信号从MUX1传送到输出端，这取决于信号的期望目的地交换机模块，在此情况下是交换机模块2。用来确定目的地交换机模块的控制方案将稍后加以更详细地描述。信号从光学主动式交换机4的输出端传输到目的地交换机模块2(虚箭头)。信号入射在交换机模块2的解复用器DEMUX2上。在此，复用信号被解复用成其构成个别信号，信号中的每一个入射在单个光检测器P3、P4上。信号可从光检测器P3、P4进一步传输到交换机模块2的客户端侧C2上的客户端部分，或(在光电子交换机多维的情况下)，信号可传输回到组构侧F2以供进一步传输。图1中的实箭头示出信号从交换机模块2到交换机模块1的替代性传输。图式中的箭头(实箭头和虚箭头两者)表示WDM光学连接。

图2示出本发明的实施方案中所使用的典型交换机模块的示意图。各交换机模块包括具有客户端侧和组构侧的集成交换机区段，如先前图式中所示。客户端端口和组构端口的数目取决于产品的需求，和带宽约束。在图2所示的交换机模块中，还有管理部分，所述管理部分被配置成执行组构管理过程，例如初始化、程序路由/转发表、故障报告、诊断、统计信息报告、计量以及类似操作。

图3示出用于本发明的实施方案的架构中的典型交换机模块1的组构侧F1的更详细视图。首先，将描述交换机模块1的结构，然后是对信号在交换机模块1中的路径的描述。组构侧F1被划分成两个部分，传输侧Tx和接收侧Rx。传输侧Tx包括包处理器PP-Tx、EAMMOD1、MOD2、……、MODQ的阵列，EAM中的每一个接收来自光源LS1、LS2、……、LSQ的阵列中的一个的输入。所述阵列的EAM中的每一个连接到信号复用器WDM-MUX，所述信号复用器接着输出其WDM信号到光学主动式交换机，所述光学主动式交换机可被视为实现本发明的实施方案的光电子交换机的交换机模块1之间的互连的“组构”。接收侧Rx具有类似的结构。更具体地，接收侧Rx包括包处理器PP-Rx，所述包处理器接收来自光检测器PD1、PD2、……、PDQ的阵列的输入，所述光检测器各自接收来自单个解复用器WDM-DEMUX的输入。所述解复用器接收来自光学主动式交换机(图3中未示出)的输入。控制器CTRL也包括在交换机模块1中，并且不约束到传输侧Tx或接收侧Rx任一者。控制器CTRL双向地连接到两个包处理器PP-Tx、PP-Rx和由AR标记的箭头示出的仲裁器。

在更高层级，应注意，在图式的左侧上发生的所有数据传送在电域中发生，并且在图式的右侧上发生的所有数据传送在光域中发生，即所有数据传送在复用器WDM-MUX与解复用器WDM-DEMUX之间进行。

现在，将描述包通过交换机模块1的各种部件的历程。包含有将从源交换机模块传输到目的地交换机模块的信息。具体地，所述包括有与预期目的地交换机模块有关的信息。在对所述包经历的历程的以下描述中，假设与那个包相关联的所有数据具有同一个预期目的地交换机模块。

以下过程在电域中进行。包可例如从客户端部分入射在交换机模块1的传输侧Tx上，所述客户端部分连接到交换机模块1的客户端侧。替代地，包可经由例如图2所示的集成交换机从交换机模块1(即同一个交换机模块)的接收侧Rx接收，使得所述包能够转发到另一交换机模块(未示出)，以供传送到不同维度。稍后将更深度地解释维度之间的这种包传送。入射在传输侧Tx上的包进入包处理器PP-Tx，所述包在包处理器中被切片成第一多个呈包切片形式的Q电子信号，其各自具有同一个目的地交换机模块。电信号中的每一个接着被传输到Q个EAM MOD1、MOD2、……、MODQ中的一个。此时，电信号中的每一个均含有对应于包切片中的数据的信息和与包的目的地交换机模块有关的信息。

现在考虑入射在MOD1上的包切片。MOD1具有两个输入：(a)电包切片，和(b)来自光源LS1的具给定波长λ₁的光。选取光通道以将串扰减到最小并且相对容易以良好良率制造波导。0.4nm与2nm之间的光通道间距是优选的。激光可具有和特别针对本申请一样窄的线宽度并且优选地不小于1KHz。在其它配置中，频率分辨率和间距将取决于装置的精细性且因此取决于无源部件。如果有例如8个波长，那么装置可以相当“简陋”，但如果将使用更多波长，那么将需要更高的规格。

MOD1接着调制来自光源LS1的光以携带包切片中所含的信息，从而产生具有给定波长λ₁的光信号。从此时起，数据传送在光域中。各调制器类似地操作以产生第一多个Q光信号。来自EAM MOD1、MOD2、……、MODQ中的每一个的Q个光学包切片入射在复用器MUX上，在所述复用器中，波分复用发生以将Q个光信号(来自各EAM)组合到单个输出光纤中。Q个光信号中的每一个具有不同波长，因此信号之间的串扰达到最小。形成复用组构输出信号的复用信号接着被传输到光学主动式交换机(稍后进行更详细描述)。交换机模块1中所生成的光信号接着由光学主动式交换机传输到其目的地交换机模块或路由到目的地交换机模块的中间交换机模块。稍后将更详细地描述确保各信号最终到达正确目的地的控制流程和相关联的硬件架构。

为了此描述的目的，我们将继续参考图3，但是在一般使用中，源和目的地交换机模块不会是同一个交换机模块。然而，源和目的地模块可以是同一个模块，例如用于测试目的。然而，源和目的地交换机模块应基本上彼此相同，使得基于图3的描述仍然同样适应。来自光学主动式交换机的光学复用组构输入信号入射在位于交换机模块1的接收侧Rx上的解复用器DEMUX上。复用组构输入信号由解复用器DEMUX解复用成第二多个Q光信号，所述第二多个Q光信号等效于在源交换机模块1上的复用器MUX处组合的那些光信号。所述Q个解复用信号接着入射在光检测器PD1、PD2、……、PDQ的阵列中的每一个上。在光检测器中，所述解复用信号被转换回成第二多个Q电信号，再次含有原始包切片中所含的信息。所述电信号接着被传输到包处理器PP-Rx，在所述包处理器中，使用包切片的标头中所含的信息，所述电信号被重组成入射在源交换机模块1的包处理器PP-Tx上的原始包。

在一些实施方案中，给定交换机模块1上的各组构部分具有其自身的相关联复用器和解复用器。

然而，在一替代性配置中，如图4所示，能够看到，不是这样的情况。在这种情况下，EAM MOD1、MOD2、……、MODQ(以及其相关联光源)、光检测器PD1、PD2、……、PDQ、复用器WDM-MUX以及解复用器WDM-DEMUX在N个组构端口之间共享。所述图式被划分成两个区段以示出哪些流程在光域中发生和哪些流程在电域中发生。在这个实施方案中，存在复用器和解复用器的额外阵列，在虚线的左边示出。与位于用于波分复用的EAM MOD1、MOD2、……、MODQ的输出端处的复用器MUX相比，在虚线左边的复用器被配置成在电域中而不是光域中将信号一起复用。此同样适用于解复用器DEMUX。在另一实施方案中，复用器和解复用器可呈集成到交换机模块中的CMOS组合逻辑电路的形式。现在将参考图4描述包从源交换机模块到目的地交换机模块的历程。在流程或部件与图3中的流程或部件相同的情况下，不会在此重复描述。进入第一组构部分的包和以前一样通过包处理器PP-Tx，其中在这个情况下，所述包被划分成三个包碎片，其各自呈电信号的形式。类似地，与此同时，到达组构部分F2的包进入第二组构部分上的包处理器PP-Tx，并且也被分割成三个包碎片，同样全部呈电信号的形式。由第一和第二组构部分中的每一个的包处理器PP-Tx生成的三个光学包碎片接着被发出到三个不同的复用器MUX。换句话说，复用器MUX中的每一个接收两个电信号，其各自对应于来自不同包的包碎片，一个电信号入射在第一组构部分上的PP-Tx上，并且一个电信号入射在第二组构部分上的PP-Tx上。这两个信号接着被复用成单个复用电子信号，其接着被传输到EAM MOD1、MOD2、……、MODQ中的一个。如在图3中，EAM调制来自光源LS1、LS2、……、LSQ的信号，使得产生携带先前由电信号携带的信息的光信号，各EAM MOD1、MOD2、……、MODQ产生具有不同波长的信号。因而，如在图3中，从EAM MOD1、MOD2、……、MODQ输出的光信号由复用器WDM-MUX波分复用到单个光纤中。对于用来发送信号的每个时隙，仲裁步骤是必要的，以便确定哪个组构部分有资格使用光学传输路径。到各复用器MUX的仅一个输入可在任何给定时间达到，以避免数据丢失。等效地，在反向路径上，解复用器DEMUX必须受到类似控制，以将传入包发送到正确的接收组构部分等。

除了NxN个光学主动式交换机之外，还需要1xK个额外光学复用器/解复用器，这是因为在这种配置中，各交换机模块仅有一个光学发送器和接收器，其必须光学耦合到K个不同光纤(在两个方向上)以用于不同维度，因此，这些复用器还需要受适当控制，以正确地引导信号。对于解复用器DEMUX，这意味着选择传输所要沿着的维度。对于复用器WDM-MUX，这暗示连接到这个模块的所有交换机模块需要以在任何给定时隙中，传入光纤中仅有一个携带有效信号的方式来协调。为了实现此目的，图4所示的配置需要仲裁器沿着所有维度连接。

此外，如上，所述信号是由不同于发送信号的交换机模块的交换机模块接收，但是为了方便、简洁起见，在此将参考同一个图式来描述接收侧Rx过程。解复用器WDM-DEMUX将从1xK解复用器接收的光信号解复用成进入复用器WDM-MUX的同样Q个信号。所述解复用光信号中的一个接着入射在光检测器PD1、PD2、……、PDQ中的每一个上，所述光检测器将光信号转换回成对应的电信号。光检测器PD1、PD2、……、PDQ中的每一个将所述电信号输出到三个电域解复用器DEMUX中的一个，从而解复用成其两个构成电信号，即一个电信号原本来自(在图4中)第一组构部分，并且一个电信号原本来自第二组构部分。三个电域解复用器DEMUX中的每一个输出两个信号，来自组构部分中的每一个上的包处理器PP-Tx的包碎片。各组构部分的三个接收的包碎片接着在各组构部分上的包处理器PP-Rx上组合，以再现最初入射在源交换机模块上的原始包。此后，所述包可被传输到另一组构部分以供传输到另一维度中，或被传输到客户端部分以供发送到连接到光电子交换机的外部装置。

如图4所示的配置需要时分复用以及波分复用，以便将对各维度的存取授予给所述组构部分。这可以使用严格的时分复用规则，即依序经过连续的组构部分进行。替代地，时分复用可以更灵活的方式执行-只要仅单个组构部分有资格在给定时隙发送信号。在一替代性且更先进的配置中，有可能分割可用波长，接着使多个组构部分同时地，但是以不同波长进行传输。然后，通过将循环AWG用于复用器WDM-MUX和解复用器WDM-DEMUX，通过使用可用波长的不相交子集，一个以上的组构部分可同时沿着不同维度进行发送。

图5示出1D光电子交换机的示例。这个示例表明本发明的实施方案的光电子交换机架构的基本连接性，以及可用以便利地描述更复杂的多维光电子交换机的记号。

图式的中间行中的小正方形中的每一个表示如例如图3和4所示的单个交换机模块。这些正方形下面的椭圆形表示客户端端口，所述客户端端口可连接到外部装置。至于对交换机模块的连接性的描述，组构部分和客户端部分大部分彼此无关，因此在以下描述中不会讨论组构部分和客户端部分。交换机模块表示一些实施方案的光电子交换机的最小构建基块，并且在本文中被称为层0交换机。在以下描述中，层i交换机，其中i>0，是提供交换机模块(即层0交换机)之间的连接的主动式交换机，所述连接沿着第i维度，即在具有相同坐标(第i方向上的坐标除外)的交换机模块之间。层0交换机(用S1标记)中的每一个连接到由长矩形表示的光学主动式交换机(用S2标记)。这个交换机在本图中被称为层1交换机，并且具有8个双向输入端/输出端。

以下记号将用以描述本发明的实施方案的各种配置/架构中的层0交换机的阵列。交换机组构整体可使用记号(N,R)来描述，其中N是交换机架构中的光交换机的层数目，其等于维度的数目，并且R是形式{R₁,R₂...R_N}的向量，给出了各层的基数，所述基数与如“发明概要”章节中所定义的维度的“大小”相同，其中基数给出层i中的各有源(即层i，其中i>0)交换机所连接到的层0交换机的数目。更具体地，层是主动式交换机或交换机模块的阵列。在以下描述中，层0交换机表示交换机模块(例如，如图3所示)，并且层i交换机(其中i>0)表示主动式交换机。层包括给定维度内的与交换光信号相关联的所有交换机，且因此，N维交换机中有N个层。在这种记号中，图5所示的光电子交换机可被描述为(N＝1,R＝{8})交换机，因为最高层交换机是层1交换机，并且最高层交换机连接到所有八个层0交换机。第i层中的交换机数目t_i等于各维度的基数直到第i维度的乘积，即换句话说，t_i等于向量R中的不涉及第i维度的项的乘积。

各个别光交换机可标记如下：S(i；C)，其中i表示交换机所位于的层，例如层0、层1等，C是具有(N-1)个元素的向量，对应于层i交换机在其层内的位置，在层的基数的坐标系中，交换机所对应的层除外。举例来说，在层3网络中，层2中的交换机具有C＝(c₁,c₃)，其中c₁和c₃表示用于关于层的交换机的标记。

图6示出根据以上记号分类为(N＝2,R＝{8,4})的2D光电子交换机的示意性示例。在这个特定实施方案中，有32(即8x4)个层0交换机连接在一起。32个层0交换机中的每一个具有两个组构端口，一个组构端口用于连接到层1中的交换机，且一个组构端口用于连接到层2中的交换机。因为32个层0交换机被组织成4组8个交换机，所以有4个层1交换机和8个层2交换机。这个图式清楚地表明根据本发明的实施方案的光电子交换机的重要性质，即从一个层0交换机到任何其它层0交换机所需的光学跳跃的最大数目是交换机架构中的层数目(即N)。举例来说，考虑数据从S1标记的交换机到S2标记的交换机的传输，其中跳跃用较粗的线示出。首先，数据经由交换机S4从交换机S1传送到交换机S3。接着，在第二次跳跃中，数据经由交换机S5从交换机S3传送到S2。因此，能够看到，在根据本发明的实施方案的交换机中，数据可在一系列光学跳跃中传送，每次经由不同层中的层i交换机。

更具体地，在各级处，包从一个层0交换机传送到另一个层0交换机，如上文参考图3所描述，接着在下一次光学跳跃能够发生之前，可需要包经由层0交换机本身内的电子跳跃来传输；然而，电子跳跃不会使操作明显减慢，因为电子数据传送具有较低的潜伏时间，集成交换机具有较低的相关联基数，并且不需要考虑飞行时间。此外，因为传送是简单地在同一个层0交换机内从一个组构部分到另一组构部分，所以也不需要任何外部仲裁或控制。

图7示出此时具有(N＝2,R＝{8,8})的2D光电子交换机的替代性示意图。这个交换机具有与图6所示的交换机相同的性质。这个交换机也更清楚地示出了层i交换机与层0交换机之间的相互关系。特别地，能够看到，层0交换机被布置成8x 8阵列，其中层1交换机与各行相关联，并且层2交换机与各列相关联。更具体地，由于各层0交换机具有与所述层中的每一个相关联的组构部分，因此能够看到，层i(i≠0)交换机提供给定层0交换机与每个其它层0交换机(其在除层i外的所有层中具有相同的坐标)之间的路线。(其中层i内的坐标是范围在0到t_i-1的值，t_i是层i中的主动式交换机的数目)。这一点也能够从图8看到，图8示出具有(N＝3,R＝{8,4,2})的3D光电子交换机。在此，有可能用最多3次光学跳跃从任何层0交换机到达任何其它层0交换机，各光学跳跃经由不同的层i(i≠0)交换机。能够看到，图8的3D光电子交换机是通过将两个图6所示的2D交换机并排地放置并且引入32个层3的阵列以提供所需互连行来形成。需要32个层3交换机，因为层3交换机是各组具有层1和层2中之相同坐标的层0交换机所需的。由于有效地存在各自由8x 4个层0交换机组成的2个群组，所以能够看到，32个层3交换机是必需的，各交换机连接到第一组中的一个层0交换机和第二组中的一个层0交换机。因此，图8所示的层3交换机各自具有两个连接。更简单地说，各层i(i≠0)中的交换机的数目等于其它层i(i≠0)中的每一个的基数的乘积。

图9A到C示出根据本发明的实施方案的光电子交换机的另外布置。在这些示例中，所有主动式交换机具有相同的基数，在此被称为R。在上文的记号中，此表示为R＝{R,R,R}＝{4,4,4}。

为了使层i(i≠0)交换机正确地操作并且将光信号发送到正确的目的地层0交换机，所述交换机必须由仲裁器控制。图11示出仲裁器如何连接到层i(i≠0)光学主动式交换机的示意图。举例来说，到仲裁器的输入被连接到如图3和4所示的控制器CTRL。这些控制器CTRL接收来自包处理器，例如与所述包入射到的预期目的地相关的PP-Tx和PP-Rx，的输入。这个信息接着被转送到仲裁器，所述仲裁器计算用于层i(i≠0)光学主动式交换机的最佳操作方案，以使所有信号达到正确的目的地层0交换机，即提供数据传送路线，以使得组构部分的各传输侧与组构部分的正确接收侧配对，从而提供非阻塞操作。这个计算出的操作方案接着被传输到驱动并且控制层i(i≠0)光学主动式交换机的操作的交换机驱动器，以便实现在其输入端处接收到的光信号的高效交换。

图10示出示例性3x 3光电子交换机中的层0交换机与仲裁器之间的连接。和层i(i≠0)光学主动式交换机很像，存在与在除一个层外的所有层中具有相同坐标的层0交换机的每个子阵列相关联的仲裁器。在2D情况、即仅有两个层的情况下，这意味着各行与行仲裁器RA相关联，并且各列与列仲裁器CA相关联。因此，同一行中的层0交换机之间的数据传送可由相关的行仲裁器RA来控制，接着行之间的后续光学跳跃(经由层i(i≠0)光学主动式交换机)可由相关的列仲裁器CA来控制。如本申请中在别处所解释，交换机可使用光学或电子交换机来连接。在使用例如共享存储器的电子交换机的情况下，可不需要如此图10中所示出的单独仲裁器。

图12示出光学MZI级联交换机内部的MZI的设置的示例，光学MZI级联交换机可用作本发明的实施方案中的光学主动式交换机。实矩形表明个别MZI。使用“发明概要”***的记号，能够看到，在这个特别配置中，MZI级联交换机具有R_i＝4＝2²(即n＝2)个输入端和输出端。输入侧可由四个1x4“树”组成(一个树用虚方块突出显示)，各树包括两级的1x 2MZI。输出侧具有镜像布置。内部的两层1x 2MZI经连接，使得可以非阻塞方式同时提供从所有输入端到所有输出端的路线。换句话说，在四个输入端与输出端之间有可能的输入端-输出端的4！＝24个组合中的每一个将由此MZI级联交换机容纳。例如如图11所示的交换机驱动器被配置成通过控制施加在各1x 2MZI的电光区域上的电压来控制应选取所述24个组合中的哪一个。

图13A示出了在使用电子主动式交换机而不是如图12所示的光学主动式交换机时将使用的部件的布置。为了简单起见，示出了仅一个交换机模块。所示的双向链路朝着(电子)共享存储器交换机SMS输送复用组构输出信号。在SMS处，信号入射在解复用器DEMUX上，所述解复用器被配置成将复用信号分割成多个光信号。所述DEMUX具有与MUX(在放大视图中示出)基本上相同的结构，只是是相反的。DEMUX上的标记为“Rx”或“Tx”的模块的等效物充当用于将光信号转换成多个电子信号的光学到电子(O/E)转换器，所述电子信号接着由SMS交换到正确的输出端。然后，模块“Rx”或“Tx”充当电子到光学(E/O)转换器以将交换机电子信号转换为光信号，所述光信号接着被复用以形成复用组构输入信号。这个信号接着由光学(WDM)纤维输送到正确的交换机模块。

图13C示出了类似于图13A和13B中的设置的设置，其中，不是使用单个电子主动式交换机来连接位于交换机模块的各子阵列中的交换机模块，而是使用多个或一组电子主动式交换机。应注意，也有可能使用一组例如先前段落中所描述的类型的光学主动式交换机。在拓扑上，这两种方法是相同的，并且为了简洁，仅详细描述使用电子主动式交换机的实施方案。使用多个交换机来互连各子阵列中的交换机模块导致较大的对分带宽。这个情况将从图13B与13C之间的比较最好理解，所述图是使用类似布局绘制。在这些示例中，有R个具R个交换机模块的集合，所述集合能够例如被视为具有R列和R行的正方形阵列，(交换机模块被标记为1到R²)。在这个特别情况下，子阵列是：

维度1：R个集合中的每一个，含有R个交换机模块，以及

维度2：位置在所述R个集合中的每一个内相同的交换机模块的集合。

在图13B所示的布置中，单个电子主动式交换机被用以连接给定子阵列中的所有交换机模块，如例如图9B亦示出的。然而，在一替代性实施方案中，如图13C所示，不是使用单个电子主动式交换机来互连子阵列，而是替代地使用S个电子主动式交换机的阵列。在所示的实施方案中，给定子阵列中的交换机模块之间的经由电子主动式交换机的连接呈克劳斯网络且更具体地折叠式克劳斯网络的形式，这是因为链接是双向的。然而，其它网络拓扑可用以互连各子阵列。在这个实施方案中，各组内有S个电子主动式交换机。优选地，选取S等于交换机模块的每一个上的客户端端口的数目。

图14A示出如上文更详细地描述的根据本发明的实施方案的光电子交换机中的连接的二维示例，其中第二(蓝色)维度的骨干未示出。在图14A中，在折叠配置中，叶交换机仅描绘了一次。类似地，图14B示出根据本发明的二维光电子交换机的折叠表示。图14C示出2维光电子交换机的替代性展开表示，所述2维光电子交换机包括在图式的边缘处的六十四个叶交换机的阵列，和在中心的十六个骨干交换机的两个集合(各自与维度中的每一者的交换相关联)。红色线表示一个维度中的连接，而蓝色线表示另一维度中的连接。

虽然本文中已经具体地描述和说明了交换机模块和光电子交换机的示例性实施方案，但是许多修改和变化对本领域的技术人员而言是显而易见的。因此，应当理解，根据本发明的原理建构的交换机模块或光电子交换机可不同于本文中所具体描述而实现。本发明也在权利要求书和其等效物中界定。

Claims

1.一种用于光电子交换机中的交换机模块，所述交换机模块具有：

所述传输侧具有：

所述第二组构部分的输出端，或

输入装置；

所述接收侧具有：

所述第二组构部分的传输侧输入端，或

输出装置。

2.如权利要求1所述的交换机模块，其中所述传输侧转换构件包括传输侧包处理器，所述传输侧包处理器被配置成接收呈原始包形式的所述第一电子信号，所述原始包具有含有目的地信息的包标头。

3.如权利要求2所述的交换机模块，其中所述传输侧包处理器被配置成执行包分片，其中：

具有相同目的地模块的数据包被布置到具有预定大小的帧中；并且

数据包被分割成布置在对应多个帧中的多个包碎片；

其中所述接收侧转换构件包括接收侧包处理器，所述接收侧包处理器被配置成在所述原始包分散在一个以上帧中时从所述包碎片重建所述包。

4.如权利要求3所述的交换机模块，其中所述交换机模块被配置成在一连串连续突发中发送所述复用组构输出信号，每一突发包括来自单个帧的包和/或包碎片，以使得每一突发仅包括具有相同目的地模块的包和/或包碎片，并且成对的顺序突发按时间间隔分离开。

5.如权利要求2所述的交换机模块，其中：

所述传输侧转换构件包括多个调制器；

所述传输侧包处理器被配置成执行包切片，其中帧或包被切片成第一多个电子信号；并且

所述传输侧包处理器被配置成将所述第一多个电子信号中的每一个发送到所述多个调制器中的不同调制器，所述第一多个电子信号借此转换成所述第一多个光信号。

6.如权利要求5所述的交换机模块，其中所述接收侧转换构件包括多个光检测器，所述多个光检测器被配置成将所述第二多个光信号转换成第二多个电子信号，并且所述接收侧转换构件还包括接收侧包处理器，所述接收侧包处理器被配置成将所述第二多个电子信号重组成所述第二电子信号。

7.如权利要求2所述的交换机模块，其中所述传输侧包处理器和/或所述接收侧包处理器被连接到控制器，以用于连接到仲裁器。

8.如权利要求7所述的交换机模块，其中所述传输侧包处理器被配置成发送请求到所述仲裁器，所述请求识别包的目的地交换机模块。

9.如权利要求8所述的交换机模块，其中所述传输侧包处理器被配置成使用查找表或以其它方式来查找所述传输侧包处理器连接到的主动式交换机的哪个输出端对应于作为所述请求的主题的所述目的地交换机模块。

10.如权利要求1所述的交换机模块，其中所述传输侧复用器和所述接收侧解复用器中的任一个或两者均为阵列波导光栅(AWG)。

11.如权利要求1所述的交换机模块，其中所述交换机包括用于连接到光背板的构件。

12.一种用于将光信号从输入装置传送到输出装置的N维光电子交换机，所述光电子交换机包括多个如权利要求1所述的交换机模块，所述交换机模块是互连的，其中：

各子阵列S_i还包括具有R_i个输入端和R_i个输出端的主动式交换机；

各主动式交换机的各输入端被配置成接收来自所述子阵列中的所述R_i个交换机模块中的每一个的复用组构输出信号；并且

所述主动式交换机被配置成基于在所述交换机模块的所述传输侧输入端处接收到的所述第一电子信号中所含的所述目的地信息，将复用组构输出信号从其R_i个输入端中的任一个引导到所述R_i输出端中的任一个，所述主动式交换机从所述交换机模块接收所述复用组构输出信号。

13.如权利要求12所述的光电子交换机，其中各交换机模块具有至少N个组构部分，所述N个组构部分中的每一个与不同的子阵列S_i相关联，所述交换机模块是所述子阵列S_i的成员。

14.如权利要求12所述的光电子交换机，其中所述主动式交换机位于光背板上并且连接到所述光背板，所述光背板还包括用于提供各交换机模块与各主动式交换机之间的连接的多个光链接，所述交换机模块与各主动式交换机共享子阵列S_i。

15.如权利要求12所述的光电子交换机，其中所主动式交换机是光学主动式交换机或电子主动式交换机。

16.如权利要求15所述的光电子交换机，其中所述主动式交换机是马赫-曾德尔干涉仪(MZI)级联交换机，所述MZI级联交换机包括多个MZI，各MZI具有：在输入耦合器处分开的两个臂，并且两个臂将分开的路径馈送到用来重组所述路径的输出耦合器中；以及两个输出部分，所述多个MZI被布置成提供从所述MZI级联交换机的各输入端到各输出端的通路。

17.如权利要求15所述的光电子交换机，其中各电子主动式交换机还包括：

各输入端处的光电转换器，所述光电转换器用于将所述复用组构输出信号从光信号转换为电子主动式交换信号；以及

各输出端处的电光转换器，所述电光转换器用于将所述电子主动式交换信号转换为呈所述复用组构输入信号形式的光信号；

其中所述电子主动式交换机被配置成将所述电子主动式交换信号从其R_i个输入端中的任一个交换到其R_i个输出端中的任一个，并且

其中：

所述光电转换器包括：解复用器，所述解复用器用于将所述复用组构输出信号解复用成第一多个中间光信号，以及对应的多个光检测器，所述多个光检测器用于将所述中间光信号中的每一个转换成中间电子主动式交换信号以用于交换到所要输出端，并且

所述电光转换器被配置成将所述多个交换后的中间电子主动式交换信号转换成第二多个中间光信号，并且还包括用于复用所述第二多个中间光信号以形成所述复用组构输入信号的复用器。

18.如权利要求12所述的光电子交换机，其中交换机模块的各子阵列S_i还包括仲裁器，所述仲裁器被配置成基于存储在待交换的数据包中的目的地信息来控制所述子阵列S_i中所包括的所述主动式交换机的操作。

19.如权利要求18所述的光电子交换机，其中所述仲裁器连接到所述子阵列S_i中的每个交换机模块上的传输侧包处理器和接收侧包处理器中的至少一个，并且被配置成接收来自所述仲裁器连接到的所述传输侧包处理器中的每一个的请求。

20.一种用于将光信号从输入装置传送到输出装置的N维光电子交换机，所述光电子交换机包括多个如权利要求1所述的交换机模块，所述交换机模块是互连的，其中：

各子阵列S_i还包括被布置成提供所述子阵列中的所有所述交换机模块之间的连接的一个或多个主动式交换机；

21.如权利要求20所述的光电子交换机，其中R_i个交换机模块的子阵列仅包括具有R_i个输入端和R_i个输出端的单个主动式交换机，并且：

22.如权利要求20所述的光电子交换机，其中R_i个交换机模块的至少一个子阵列包括多个P_sub主动式交换机，所述多个P_sub主动式交换机被布置成形成连接所述子阵列中的各交换机模块与所述子阵列中的各其它交换机模块的网络。

23.如权利要求22所述的光电子交换机，其中：

P_sub的值对于包括多个主动式交换机的所有子阵列是相同，和/或R_i个交换机模块的所述至少一个子阵列的所有所述交换机模块具有相同数目个客户端端口，并且P_sub的所述值等于所述交换机模块的每一个上的客户端端口的数目。

24.如权利要求22或权利要求23所述的光电子交换机，其中给定子阵列中的各交换机模块经由中间交换机而连接到主动式交换机。

25.如权利要求24所述的光电子交换机，其中所述中间交换机是光学主动式交换机、电子主动式交换机和电子包交换机中的一种。

26.根据权利要求24或权利要求25所述的光电子交换机，其中所述中间交换机是双向的。

27.如权利要求24到26中任一项所述的光电子交换机，其中所述交换机模块、中间交换机和主动式交换机被布置成以下各项中的一者：折叠式克劳斯网络、展开式克劳斯网络、部分折叠式克劳斯网络或类克劳斯网络。

28.一种用于将光信号从输入装置传送到输出装置的N维光电子交换机，所述光电子交换机包括：

多个叶交换机，其各自具有基数R并且被布置成N维阵列，其中各维度i具有相应大小R_i(i＝1,2,...,N)，各叶交换机具有给出其相对于所述N个维度中的每一个的位置的相关联坐标L元组(x₁,...,x_N)；

其中在给定子阵列中，所述子阵列中的各叶交换机经由中间交换机而连接到各骨干交换机。

29.根据权利要求28所述的光电子交换机，其中在给定子阵列中，叶交换机的数目大于骨干交换机的数目。

30.根据权利要求28或权利要求29所述的光电子交换机，其中所述叶交换机被划分成多个集群，各集群含有多个叶交换机。

31.根据权利要求30所述的光电子交换机，其中：

各叶交换机集群与一个或多个中间交换机的集群相关联以形成线卡组件，

所述集群中的各叶交换机连接到所述线卡组件中的各中间交换机，并且

所述中间交换机被布置为使得信号在从叶交换机传送到骨干交换机期间通过所述中间交换机。

32.根据权利要求31所述的光电子交换机，其中在给定子阵列中：

各骨干交换机连接到位于所述子阵列中的线卡组件中的中间交换机，并且

所述线卡组件中不超过一个中间交换机连接到给定骨干交换机。

33.根据权利要求32所述的光电子交换机，其中在线卡组件内，有N个相异的中间交换机集合，各集合被配置成在含有所述线卡组件的相应子阵列内传送信号，那些子阵列中的每一个与所述N个维度中的相应维度相关联。

34.根据权利要求31到33中任一项所述的光电子交换机，其中各线卡组件位于相应线卡上。

35.根据权利要求34所述的光电子交换机，其中所述线卡包括用于控制信号通过包括于位于所述线卡上的所述线卡组件中的中间交换机的路径的仲裁器。

36.根据权利要求35所述的光电子交换机，其中所述线卡包括多个仲裁器，各仲裁器被配置成控制信号通过相应中间交换机的路径。

37.根据权利要求28到36中任一项所述的光电子交换机，其中在给定子阵列中，所述骨干交换机位于组构卡上。

38.根据权利要求37所述的光电子交换机，其中所述组构卡包括用于控制信号通过位于所述组构卡上的骨干交换机的路径的仲裁器。

39.根据权利要求38所述的光电子交换机，其中所述组构卡包括多个仲裁器，各仲裁器被配置成控制信号通过所述组构卡上的相应骨干交换机的路径。

40.根据权利要求28到39中任一项所述的光电子交换机，其中在给定子阵列中，所述叶交换机、骨干交换机和中间交换机被布置成五级克劳斯网络，其中：

第一级由所述叶交换机组成；

第二级由中间交换机组成；

第三级由所述骨干交换机组成；

第四级由中间交换机组成；

第五级由所述叶交换机组成。

41.根据权利要求28到40中任一项所述的光电子交换机，其中各中间交换机上的输入端的数目与输出端的数目相同。

42.根据权利要求28到41中任一项所述的光电子交换机，其中所述叶交换机中的每一个均含有与所述骨干交换机中的每一个相同的部件。

43.根据权利要求42所述的光电子交换机，其中所述叶交换机、骨干交换机和中间交换机中的每一个均含有彼此相相同的部件。

44.根据权利要求28到43中任一项所述的光电子交换机，其中各叶交换机具有：

所述传输侧具有：

所述第二组构部分的输出端，或

输入装置；

所述接收侧具有：

所述第二组构部分的传输侧输入端，或

输出装置。

45.根据权利要求28到44中任一项所述的光电子交换机，其中各骨干交换机具有：

所述传输侧具有：

所述接收侧具有：

46.根据权利要求28到45中任一项所述的光电子交换机，其中各中间交换机具有：

所述传输侧具有：

所述接收侧具有：